山東兩次臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨對(duì)比分析?

叢春華， 雷小途, 陳佩燕

(1.山東省氣象臺(tái)，山東 濟(jì)南 250031； 2.中國(guó)臺(tái)風(fēng)研究所，上海 200030)

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山東兩次臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨對(duì)比分析?

叢春華1， 雷小途2, 陳佩燕2

(1.山東省氣象臺(tái)，山東 濟(jì)南 250031； 2.中國(guó)臺(tái)風(fēng)研究所，上海 200030)

基于氣象要素高空探測(cè)、地面觀測(cè)以及NCEP再分析資料，針對(duì)2003年8月下旬(0312)和2004年8月下旬(0418)山東省兩場(chǎng)發(fā)生在不同環(huán)流形勢(shì)下的遠(yuǎn)距離暴雨過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果顯示,臺(tái)風(fēng)在兩次暴雨過(guò)程中均起了重要作用，但機(jī)理不同。除臺(tái)風(fēng)東側(cè)低空急流為大暴雨的發(fā)生提供充沛的水汽,有利于構(gòu)建不穩(wěn)定的大氣層結(jié)以及加強(qiáng)暴雨區(qū)的輻合上升運(yùn)動(dòng)等共同點(diǎn)之外，還存在著顯著的不同：(1)0312臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨是臺(tái)風(fēng)與切變線相互作用的產(chǎn)物，0418臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨則是由臺(tái)風(fēng)與冷鋒相互作用造成的；(2)在這兩次暴雨過(guò)程中,直接影響系統(tǒng)和臺(tái)風(fēng)所起的作用不同：0312臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨過(guò)程中，切變線為暴雨的發(fā)生發(fā)展提供了原始的正渦度場(chǎng)，而臺(tái)風(fēng)東側(cè)的低空急流加強(qiáng)北推進(jìn)一步加強(qiáng)了切變線附近正渦度和輻合強(qiáng)度,加強(qiáng)了上升運(yùn)動(dòng)；0418臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨過(guò)程中,臺(tái)風(fēng)倒槽頂端生成并分裂發(fā)展的氣旋式渦旋為暴雨系統(tǒng)的原始渦源，臺(tái)風(fēng)東側(cè)低空急流北上在一定程度上加強(qiáng)了暴雨區(qū)的輻合和上升運(yùn)動(dòng)；(3)兩次臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨中，與臺(tái)風(fēng)相連的偏南風(fēng)急流對(duì)暴雨區(qū)的水汽凈流入貢獻(xiàn)最大，但最大水汽輸送層不同，0312臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的最大水汽輸送層在925 hPa附近，而0418臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的最大水汽輸送出現(xiàn)在800 hPa上下。

臺(tái)風(fēng)；遠(yuǎn)距離暴雨；水汽輸送；渦度

中國(guó)是登陸臺(tái)風(fēng)(泛指熱帶氣旋，包括熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)及超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，下同)最多的國(guó)家，臺(tái)風(fēng)災(zāi)害非常嚴(yán)重[1-3]。登陸臺(tái)風(fēng)所帶來(lái)的直接災(zāi)害主要包括大風(fēng)和暴雨，又以雨災(zāi)最為普遍，有時(shí)還伴有山洪、泥石流等次生災(zāi)害[4]。當(dāng)?shù)顷懪_(tái)風(fēng)與中緯度系統(tǒng)相互作用時(shí)可給中緯度地區(qū)造成更為顯著的降水，其中就包括臺(tái)風(fēng)的遠(yuǎn)距離暴雨[5]。早在1950年代，仇永炎[6]就注意到了臺(tái)風(fēng)對(duì)北方汛期特大暴雨的影響。近些年相關(guān)的研究也陸續(xù)開(kāi)展，陳聯(lián)壽等[7-8]給出了臺(tái)風(fēng)的遠(yuǎn)距離降水的物理定義和概念模型，并發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨遍及中國(guó)27個(gè)省(市、自治區(qū))，其中環(huán)渤海地區(qū)和川陜交界處是臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的高發(fā)區(qū)[9]，陜西87%的暴雨極值事件與遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)有密切的聯(lián)系[10]。據(jù)統(tǒng)計(jì)[11-14], 平均每年有1～2個(gè)臺(tái)風(fēng)直接影響山東，數(shù)目不多，但臺(tái)風(fēng)常與中緯度系統(tǒng)相互作用，帶給山東不同程度的降水，臺(tái)風(fēng)暴雨是山東省夏汛期主要的災(zāi)害性天氣。楊曉霞等[15]的研究結(jié)果顯示，在華南沿海登陸的臺(tái)風(fēng)可間接影響山東省的暴雨分布和強(qiáng)度；在臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨形成機(jī)制方面，叢春華等[16]認(rèn)為，臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨能否發(fā)生的關(guān)鍵在于臺(tái)風(fēng)東側(cè)是否有水汽輸送到中緯度槽前；朱洪巖[17]、孟智勇[18]等通過(guò)對(duì)9406 號(hào)臺(tái)風(fēng)暴雨的數(shù)值實(shí)驗(yàn)，研究了臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨過(guò)程的大尺度和中尺度特征，并指出臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度對(duì)暴雨區(qū)的水汽輸送有影響，而西風(fēng)槽則提供了暴雨發(fā)生的大尺度背景場(chǎng)；叢春華等[9]通過(guò)對(duì)0509號(hào)臺(tái)風(fēng)暴雨的數(shù)值敏感性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)西風(fēng)槽的強(qiáng)度與臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的雨量存在著正相關(guān)性，西風(fēng)槽越強(qiáng)，降水量越大。然而，臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生遠(yuǎn)距離暴雨的方式多種多樣[5]，如有的是臺(tái)風(fēng)倒槽使然、有的則與西風(fēng)槽或切變線相關(guān)，有時(shí)地形[19]也是觸發(fā)遠(yuǎn)距離暴雨的一個(gè)重要因素等。當(dāng)前，有關(guān)臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的研究雖然取得一定進(jìn)展，但是因其機(jī)制復(fù)雜，針對(duì)具有特色個(gè)例的深入分析研究仍十分必要。

2003年8月下旬(下簡(jiǎn)稱0312臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨)和2004 年8 月下旬(下簡(jiǎn)稱0418臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨)發(fā)生在山東省的兩場(chǎng)大范圍暴雨過(guò)程就與遠(yuǎn)在華南的臺(tái)風(fēng)有著密切的關(guān)系，但臺(tái)風(fēng)在這兩場(chǎng)暴雨中所起的作用存在顯著的不同，各具特色。故本文對(duì)這兩次過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比分析, 以求加深對(duì)此類(lèi)暴雨的了解和認(rèn)識(shí)。

1 資料與方法

本文所用時(shí)間均為北京時(shí)間，所用氣象資料為常規(guī)高空探測(cè)資料、地面觀測(cè)資料及NCEP再分析資料，所用分析工具為MICAPS數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和GRADS數(shù)據(jù)分析軟件，通過(guò)對(duì)不同物理量的診斷分析和對(duì)比分析，來(lái)探討發(fā)生在山東省的兩次臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的異同。

2 降水實(shí)況和環(huán)流背景分析

0312號(hào)臺(tái)風(fēng)“科羅旺”與0418號(hào)臺(tái)風(fēng)“艾利”是在2003，2004年8月下旬分別登陸中國(guó)華南和華東沿海(見(jiàn)圖1)。0312號(hào)臺(tái)風(fēng)于2003年8 月 25 日凌晨 5時(shí)在海南文昌登陸，0418號(hào)臺(tái)風(fēng)于2004年8月25日下午在福建福清登陸, 而后均繼續(xù)向偏西方向移動(dòng)影響華南華東地區(qū)。這兩個(gè)臺(tái)風(fēng)不僅直接給中國(guó)華南沿海一帶到來(lái)狂風(fēng)暴雨，也給遠(yuǎn)在千里之外的山東帶來(lái)了明顯的降水(見(jiàn)圖2(b),(d))。

圖1 0312和0418號(hào)臺(tái)風(fēng)路徑圖

圖2 2003 年8 月26 日08時(shí)(a);2003年8 月26 日20時(shí)(b)500hPa等高線；850hPa風(fēng)場(chǎng)和25日08時(shí)～27日08時(shí)過(guò)程降水量以及2004 年8 月26 日20時(shí)(c)；8 月27 日20時(shí)(d)500hPa等高線、850hPa風(fēng)場(chǎng)和27日08時(shí)～29日08時(shí)過(guò)程降水量(實(shí)線為等高線,單位:dagpm;陰影區(qū)為降水量,單位:mm)

2.1 降水實(shí)況分析

受0312號(hào)臺(tái)風(fēng)和地面氣旋的影響，2003年8月25 日夜間至27日，山東省中南部地區(qū)出現(xiàn)暴雨天氣，降水量局部達(dá)到大暴雨。其中70 個(gè)縣(市、區(qū)) 過(guò)程降水量超過(guò)50mm, 24 個(gè)縣(市、區(qū))超過(guò)100mm，測(cè)站最大降水量為244.0mm，出現(xiàn)在巨野縣。此次暴雨過(guò)程全省平均降水量高達(dá)65.4mm。

2004年8 月26 日夜間至28 日上午的暴雨過(guò)程是山東省當(dāng)年最大的一場(chǎng)降水天氣。 全省共有72 個(gè)縣(市、區(qū)) 過(guò)程降水量超過(guò)50mm, 其中有19 個(gè)縣(市、區(qū))超過(guò)100mm。測(cè)站降水極值為210.10mm, 出現(xiàn)在濟(jì)寧市金鄉(xiāng)站，過(guò)程降雨量全省平均達(dá)65.7mm。

山東這兩次暴雨過(guò)程的共同特點(diǎn)就是降水發(fā)生時(shí)華南均有登陸臺(tái)風(fēng)活動(dòng)，華南地區(qū)有臺(tái)風(fēng)本體暴雨區(qū)，山東省遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)環(huán)流，但區(qū)域內(nèi)暴雨的發(fā)生發(fā)展也與臺(tái)風(fēng)有著密切的聯(lián)系。

2.2 高空環(huán)流背景分析

山東0312臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨發(fā)生前的8月25日20時(shí)，500hPa等壓面上河套西部為一短波槽，26日08時(shí)(見(jiàn)圖2(a))短波槽東移至河套地區(qū)中部上空，西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)盛、面積大，588位勢(shì)什米等高線(以下簡(jiǎn)稱588線)控制了長(zhǎng)江中下游流域及華南的東部地區(qū)，588線西伸至108°E，與120°E相交的脊線位于28°N附近。臺(tái)風(fēng)“科羅旺”西行至北部灣，其與副熱帶高壓之間有一支西南氣流伸至華東北部。相應(yīng)時(shí)次，850hPa等壓面上有緯向切變線伸至山東南部地區(qū)，在切變線南側(cè)，臺(tái)風(fēng)與副熱帶高壓之間的西南氣流比較強(qiáng)。26日14～20時(shí)，850hPa等壓面上的西南急流迅速加強(qiáng)并向北涌進(jìn)，大氣環(huán)流的高低空垂直分布表現(xiàn)為典型的大暴雨的配置形式(見(jiàn)圖2(b))。臺(tái)風(fēng)與切變線相互作用，在切變線附近暖濕氣流內(nèi)產(chǎn)生緯向型分布的暴雨區(qū)。

臺(tái)風(fēng)“艾利”于2004年8月25日下午在福建福清市登陸后繼續(xù)西行。26日20時(shí)(見(jiàn)圖2(c))，亞歐大陸中高緯地區(qū)500hPa等壓面上，大氣環(huán)流呈現(xiàn)兩脊一槽的形態(tài)分布，黃河中下游一帶為寬廣的槽區(qū)所覆蓋，副熱帶高壓位于臺(tái)風(fēng)與西風(fēng)槽之間。850hPa等壓面上臺(tái)風(fēng)倒槽北端到達(dá)山東南部，倒槽東側(cè)的東南風(fēng)急流顯著。27日14時(shí)(圖略)臺(tái)風(fēng)倒槽頂端有渦旋快速發(fā)展，低層風(fēng)場(chǎng)上呈現(xiàn)出明顯的氣旋式環(huán)流。27日20時(shí)(見(jiàn)圖2(d))倒槽頂端新生渦旋脫離臺(tái)風(fēng)環(huán)流，移到中緯度槽前，靠近華北鋒區(qū)，后期逐漸演變成溫帶氣旋。山東的暴雨過(guò)程就是發(fā)生在該氣旋新生、發(fā)展、北移的過(guò)程中，降水落區(qū)隨渦旋中心向東北方向擴(kuò)展，呈經(jīng)向型分布。

2.3 地面影響系統(tǒng)分析

從地面影響系統(tǒng)的演變分析來(lái)看，0312臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的發(fā)生發(fā)展過(guò)程是一個(gè)波動(dòng)類(lèi)氣旋醞釀和發(fā)展的過(guò)程。25日20時(shí)(見(jiàn)圖3(a))在0312號(hào)臺(tái)風(fēng)西移的過(guò)程中，臺(tái)風(fēng)東側(cè)副熱帶高壓和華北高壓之間存在一個(gè)緯向切變線，臺(tái)風(fēng)與副熱帶高壓之間的偏南氣流有一個(gè)加強(qiáng)北進(jìn)的過(guò)程，華北地區(qū)高壓壩內(nèi)有冷空氣向南滲入，南北兩支氣流一方面促使緯向切變線向北移動(dòng)并逐漸轉(zhuǎn)為徑向切變線，繼而發(fā)展成地面氣旋(見(jiàn)圖3(b))，演繹了一個(gè)典型的波動(dòng)類(lèi)氣旋的發(fā)生發(fā)展過(guò)程。臺(tái)風(fēng)對(duì)于切變線的加強(qiáng)北移及山東附近暴雨的發(fā)生起了決定性作用。

從地面影響系統(tǒng)分析來(lái)看，0418臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的發(fā)生發(fā)展過(guò)程是0418號(hào)臺(tái)風(fēng)倒槽北端有氣旋性環(huán)流生成，并逐步脫離臺(tái)風(fēng)倒槽，北上與冷空氣相互作用，最終形成溫帶氣旋。8月27日11時(shí)地面圖上(見(jiàn)圖3(c))顯示0418號(hào)臺(tái)風(fēng)的倒槽一直向北伸展到山東南部地區(qū)。至27日20時(shí)(圖略)地面填圖上臺(tái)風(fēng)倒槽北端風(fēng)場(chǎng)已出現(xiàn)完整的氣旋性環(huán)流，中心位于山東南部地區(qū)。28日02時(shí)(圖3(d))環(huán)流內(nèi)有暖鋒鋒生，而后北部冷鋒進(jìn)入氣旋低壓，地面圖上已分析出明顯的冷鋒和暖鋒，溫帶氣旋結(jié)構(gòu)完整。氣旋的發(fā)生發(fā)展過(guò)程伴隨著強(qiáng)降水的發(fā)生，暴雨發(fā)生在氣旋的東側(cè)象限，隨氣旋中心的移動(dòng)，呈徑向型分布。0418號(hào)臺(tái)風(fēng)在此次暴雨過(guò)程中，既為氣旋的發(fā)展提供了原始的動(dòng)力場(chǎng)，同時(shí)，其東側(cè)的偏南氣流也為地面氣旋的發(fā)展及暴雨的發(fā)生提供了水汽和能量。

((a)2003年8月25日20時(shí)；(b)2003年8月27日02時(shí)；(c)2004年8月27日11時(shí)；(d)2004年8月28日20時(shí)實(shí)線為等壓線, 單位: hPa。(a) 20 BJT 25, Aug 2003; (b)02 BJT 27, Aug 2003; (c)11 BJT 27, Aug 2004; (d) 20 BJT 28, Aug 2004 (Solid line is constant pressure line, unit: hPa.)

圖3 地面天氣圖和海平面氣壓場(chǎng)

Fig3 Surface weather chart (full bar=4 m·s-1) and sea level pressure

3 物理量診斷分析

3.1 水汽和能量分析

2003年8月25日20時(shí)，850 hPa等壓面上大于12 m·s-1的西南急流主要集中在兩廣一帶，徐州探空站850hPa測(cè)風(fēng)為2m·s-1，隨后，低空急流加強(qiáng)北進(jìn)過(guò)程顯著，26日08時(shí)，急流前端到達(dá)魯南，匯入暖式切變線內(nèi)，徐州西南風(fēng)迅速增強(qiáng)到16m·s-1，附近存在較強(qiáng)的風(fēng)向和風(fēng)速的輻合。26日08時(shí)850hPa的水汽通量分布(見(jiàn)圖4(a))顯示，存在一個(gè)西南-東北走向的水汽通道由廣西一直伸向山東南部，在魯皖蘇三省交界處形成一個(gè)大于20g·kg-1·m·s-1的高值中心，對(duì)應(yīng)著一個(gè)小于-6.0×10-7·g·hPa-1·cm-2·s-1的輻合中心。

(本圖西邊界處的陰影部分為青藏高原。Shaded region on left boundary shows the Tibetan Plateau.)

0418臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨過(guò)程，低層850～700hPa等壓面上臺(tái)風(fēng)倒槽北伸最為明顯。8月26日20時(shí)，850hPa臺(tái)風(fēng)倒槽頂端已達(dá)山東南部地區(qū)，其東側(cè)大于12m·s-1的急流已到達(dá)南京。隨著臺(tái)風(fēng)倒槽的西移和向北發(fā)展，850hPa等壓面上東南急流向北移動(dòng)，27日08時(shí)徐州探空站風(fēng)速達(dá)16m·s-1，濟(jì)南探空站也達(dá)到8 m·s-1，在27日08時(shí)850hPa面上水汽通道(見(jiàn)圖4(b))呈南北走向，由廣東省一直伸向山東，并在蘇魯交界處形成一個(gè)大于16g·kg-1·m·s-1的大值中心，對(duì)應(yīng)著一個(gè)小于-4×10-7·g·hPa-1·cm-2·s-1的輻合中心。

用水汽通量的整層積分來(lái)分析大氣整層的水汽輸送情況[16]。將地面至100hPa高度的大氣矩形柱體作為一個(gè)“箱體”(見(jiàn)圖5(a))。不考慮水汽的垂直輸送，依據(jù)u、v風(fēng)向，規(guī)定流入(出)“箱體”內(nèi)的水汽通量為正(負(fù))。對(duì)水汽通量作面積分可得出流經(jīng)“箱體”4個(gè)面的水汽通量和整個(gè)“箱體”內(nèi)的水汽收支情況(具體計(jì)算方法，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[16])。

對(duì)兩次遠(yuǎn)距離暴雨發(fā)生前及發(fā)展過(guò)程中，“箱體”內(nèi)水汽收支進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，在遠(yuǎn)距離暴雨發(fā)生前24h均存在“箱體”內(nèi)水汽凈收入快速增加的現(xiàn)象，且在暴雨發(fā)生發(fā)展過(guò)程中一直伴隨著水汽的凈流入(見(jiàn)圖5(b))。0312臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨發(fā)生前，25日14時(shí)“箱體”內(nèi)還是水汽的凈流出，25日20時(shí)“箱體”內(nèi)水汽的收支逆轉(zhuǎn)為凈流入，且一直維持到27日。期間26日02時(shí)的單位時(shí)間凈流入量為最大，達(dá)24.1×1013g·s-1。0418臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨發(fā)生前后“箱體”內(nèi)水汽收支總體也表現(xiàn)出相同的特征，“箱體”凈的水汽流入出現(xiàn)在26日20時(shí)，且一直維持到28日，27日凈水汽流入最為顯著。其中，27日14時(shí)的單位時(shí)間凈流入量為最大，達(dá)13.07×1013g·s-1，與0312臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的單位時(shí)間最大凈流入量相比要小一些。

圖5 箱體示意圖(a)，箱體內(nèi)水汽收支(b)(黑色為0418，灰色為0312，單位：1013g·s-1)及0312(c)，0418(d)箱體南邊界水汽通量垂直分布及隨時(shí)間的演變(單位：108g·s-1·Pa-1)

分別計(jì)算和分析“箱體”南、北、東、西4個(gè)邊界的水汽凈流入發(fā)現(xiàn)，南邊界水汽輸送對(duì)“箱體”內(nèi)的水汽凈流入貢獻(xiàn)最大，水汽輸送的大值區(qū)均發(fā)生在700hPa等壓面以下的對(duì)流層低層。0312臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的南邊界水汽輸送主要集中在800～925hPa等壓面之間，以925hPa等壓面附近最大(見(jiàn)圖5(c))。0418遠(yuǎn)距離暴雨的南邊界水汽輸送則主要集中在700～900hPa等壓面之間，又以800hPa等壓面附近為最大(見(jiàn)圖5(d))。0418臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的最大水汽輸送層高于0312臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的最大水汽輸送層。根本原因在于與0312臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨相聯(lián)系的西南急流主要位于850hPa等壓面及以下的低層，與0418臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨相聯(lián)系的臺(tái)風(fēng)倒槽東側(cè)的東南急流則是在700～850hPa等壓面之間最為顯著。

上述對(duì)兩次遠(yuǎn)距離暴雨區(qū)水汽輸送綜合分析結(jié)果表明，與臺(tái)風(fēng)相聯(lián)的偏南氣流對(duì)暴雨區(qū)的水汽輸送和輻合起了關(guān)鍵作用。臺(tái)風(fēng)“科羅旺”東側(cè)的低空或超低空急流將大量的暖濕空氣源源不斷的輸送到暴雨區(qū)，使得切變線附近的低層不斷增濕，大氣可降水量驟增(圖略)，為0312臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的發(fā)生發(fā)展提供了豐沛的水汽條件。臺(tái)風(fēng)“艾利”倒槽東側(cè)的東南風(fēng)急流為山東區(qū)域內(nèi)暴雨的發(fā)生發(fā)展提供源源不斷的水汽輸送，造成暴雨區(qū)內(nèi)大氣可降水量的急劇增加(圖略)，為暴雨的持續(xù)發(fā)展提供豐富的水汽來(lái)源。

2003年8月26日08時(shí)，850hPa等壓面上(見(jiàn)圖6a)魯皖蘇交界處表現(xiàn)為等假相當(dāng)位溫線趨于密集，形成能量鋒區(qū)，近乎與35°N等緯度線平行。在能量鋒區(qū)附近925～700hPa等壓面上存在假相當(dāng)位溫隨高度減小的對(duì)流層結(jié)不穩(wěn)定區(qū)。2004年8月27日08時(shí)，850hPa等壓面上假相當(dāng)位溫等值線則呈現(xiàn)出一個(gè)南北向的高能舌(見(jiàn)圖6b)，高能舌附近的大氣中低層也存在假相當(dāng)位溫隨高度增加而減小的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)區(qū)。可見(jiàn)此兩次暴雨過(guò)程中，與臺(tái)風(fēng)相連的偏南風(fēng)急流還參與了遠(yuǎn)距離暴雨區(qū)大氣不穩(wěn)定層結(jié)的構(gòu)建過(guò)程，使得暴雨區(qū)不穩(wěn)定能量不斷積累，確保有足夠的能量來(lái)支撐暴雨天氣的發(fā)生和發(fā)展。

圖6 2003年8月26日08時(shí)(a)和2004年8月27日08時(shí)(b)850hPa溫度平流(陰影區(qū)為正，單位:10-5·K·s-1)，風(fēng)矢量(箭頭)和假相當(dāng)位溫等值線(實(shí)線，單位:K；西邊界陰影部分為青藏高原)；2003年8月26日02時(shí)(c)和04年8月27日08時(shí)(d)鋒生函數(shù)(陰影區(qū)≥4，單位:10-10·km-1·s-1)，850hPa風(fēng)矢量(風(fēng)標(biāo))和假相當(dāng)位溫等值線(實(shí)線，單位:K)

3.2 動(dòng)力條件

圖7給出2003年8月25日20時(shí)、26日08時(shí)和2004年8月27日08時(shí)及27日20時(shí)850hPa等壓面上的渦度和風(fēng)場(chǎng)分布。可以看出，2003年8月25日20時(shí)在35°N附近110°E～130°E的位置上存在一個(gè)東西向的正渦度區(qū)。這片正渦度區(qū)與切變線相對(duì)應(yīng)，和臺(tái)風(fēng)本體渦度區(qū)(廣西附近)相互獨(dú)立，兩者之間為大片的負(fù)渦度區(qū)。對(duì)比25日20時(shí)和26日08時(shí)的850hPa風(fēng)場(chǎng)和渦度場(chǎng)變化來(lái)看，隨著臺(tái)風(fēng)東側(cè)低空西南急流向北涌進(jìn)，切變線附近氣旋式切變和渦度均明顯增大，25日20時(shí)，山東南部正渦度中心大于4×10-5·s-1(見(jiàn)圖7(a))，至26日08時(shí)快速增加到10×10-5·s-1以上(見(jiàn)圖7(b))。

圖7 2003年8月25日20時(shí)(a)、8月 26日08時(shí)(b)、2004年8月27日08時(shí)(c)及8月27日20時(shí)(d)850hPa的渦度(虛線，單位:10-5·s-1)和風(fēng)場(chǎng)(陰影部分為青藏高原)

0418臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨過(guò)程中渦度的變化較之0312臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨過(guò)程有著顯著的不同。2004年8月27日08時(shí)850hPa等壓面上臺(tái)風(fēng)倒槽明顯北伸至魯南地區(qū)，由于倒槽內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)的非均勻性，在倒槽北端(魯皖交界處)出現(xiàn)一個(gè)大于8×10-5·s-1渦度中心(見(jiàn)圖7(c))，此時(shí)，該渦度中心仍處于臺(tái)風(fēng)倒槽的渦度區(qū)內(nèi)，隸屬于臺(tái)風(fēng)本體，是臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)的一部分。隨著低層?xùn)|南風(fēng)急流的加強(qiáng)北抬，臺(tái)風(fēng)倒槽頂端附近風(fēng)場(chǎng)的氣旋式切變加強(qiáng)，渦旋加強(qiáng)迅速，27日20時(shí)相應(yīng)渦度中心超過(guò)10×10-5·s-1。可以清楚看出，此時(shí)該渦度中心已與臺(tái)風(fēng)本體的渦度區(qū)完全分離，中心正渦度數(shù)值與華南沿海的臺(tái)風(fēng)“艾利”中心渦度值相當(dāng)(見(jiàn)圖7(d))，而在850hPa等壓面上，皖魯蘇交界處風(fēng)場(chǎng)出現(xiàn)了獨(dú)立的氣旋式環(huán)流。至此，原臺(tái)風(fēng)倒槽頂端的渦旋完全從臺(tái)風(fēng)本體脫離出來(lái)，發(fā)展為一個(gè)獨(dú)立的新生氣旋渦，而后，隨著華北地區(qū)冷空氣的入侵和氣旋渦內(nèi)部的暖鋒鋒生，冷、暖鋒相結(jié)合，氣旋渦最終發(fā)展為溫帶氣旋向東北移動(dòng)。也就是說(shuō)，此次暴雨過(guò)程中，0418號(hào)臺(tái)風(fēng)是引發(fā)暴雨的溫帶氣旋的“母體”，這是在以往的研究結(jié)果中很少有提及。

對(duì)比分析清晰可見(jiàn)，0312臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨過(guò)程中，引發(fā)暴雨過(guò)程的渦度實(shí)質(zhì)上是切變線的切變渦度，而臺(tái)風(fēng)東側(cè)的低層西南急流北涌在一定程度上加強(qiáng)了北部切變線附近的輻合，進(jìn)而加強(qiáng)了該區(qū)的正渦度，0312號(hào)臺(tái)風(fēng)是一個(gè)“助力者”。而0418臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨過(guò)程中，引發(fā)暴雨天氣的初始渦度實(shí)質(zhì)上是臺(tái)風(fēng)倒槽頂端的正渦度中心脫離臺(tái)風(fēng)而來(lái)，也就是說(shuō)為0418臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的發(fā)生提拱原始渦度的是臺(tái)風(fēng)本身，臺(tái)風(fēng)是暴雨系統(tǒng)的“母體”。兩場(chǎng)暴雨在此點(diǎn)上存在著顯著的不同。

3.3 低層暖鋒鋒生和地面氣旋發(fā)展

0312臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨發(fā)生前，整層大氣的等溫線呈緯向型分布，30°N附近為一溫度脊，低層西南氣流穿過(guò)溫度脊直達(dá)魯南地區(qū)，緯向分布的暖平流顯著，25日20時(shí)暖平流中心位于長(zhǎng)江下游。隨著低空西南急流的北涌，暖平流中心北移，26日08時(shí)850hPa等壓面上最大暖平流數(shù)值超過(guò)28×10-5·K·s-1，位于魯南和蘇北交界處(見(jiàn)圖6(a))。切變線也逆轉(zhuǎn)為西南-東北走向，在切變線北側(cè)由于東北風(fēng)的存在，其攜帶華北地區(qū)弱冷空氣南下與西南急流攜帶的暖濕空氣相遇，使得切變線附近假相當(dāng)位溫梯度加大，有明顯的冷暖鋒生現(xiàn)象。鋒生函數(shù)[20]表現(xiàn)更為明顯(鋒生函數(shù)具體計(jì)算方法，詳見(jiàn)文獻(xiàn)20)，850hPa等壓面上魯蘇皖豫交界處鋒生函數(shù)的值超過(guò)24×10-5K·m-1·s-1，且暖鋒鋒生最為顯著(見(jiàn)圖6(c))，鋒生函數(shù)大值區(qū)走向與風(fēng)的切變線方向一致。沿鋒生函數(shù)中心作垂直剖面，可以看出鋒生過(guò)程和垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。從26日02時(shí)假相當(dāng)位溫、垂直速度和鋒生函數(shù)沿117°E剖面圖(見(jiàn)圖8(a))上可以看出，35°N附近，假相當(dāng)位溫線在地面至800hPa等壓面之間呈垂直狀態(tài)分布，暖鋒鋒生主要集中在700hPa等壓面以下的對(duì)流層低層，暖鋒鋒生上空對(duì)應(yīng)強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，37°N附近也有因北方弱冷空氣南侵造成的冷鋒鋒生，但強(qiáng)度要弱一些。26日08時(shí)鋒生函數(shù)和垂直上升運(yùn)動(dòng)均隨高度向冷空氣一側(cè)傾斜，表明鋒區(qū)附近大氣斜壓性增強(qiáng)。地面圖上則表現(xiàn)為準(zhǔn)靜止鋒上出現(xiàn)了氣旋波動(dòng)，激發(fā)0312臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨對(duì)流云團(tuán)的發(fā)生、發(fā)展和不穩(wěn)定能量的釋放。可見(jiàn)，引發(fā)0312號(hào)臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的溫帶氣旋來(lái)源于對(duì)流層低層暖式切變線上的一個(gè)小波動(dòng)，溫帶氣旋是在切變線上發(fā)展起來(lái)。

0418臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨發(fā)生前，8月26日20時(shí)大氣低層，中國(guó)中東部地區(qū)溫度以臺(tái)風(fēng)倒槽為界呈東暖西冷的徑向型分布。華東地區(qū)假相當(dāng)位溫場(chǎng)呈南北向的分布，高能舌軸線位于118°E，北部存在中緯度鋒區(qū)。27日08時(shí)850hPa等壓面上，在臺(tái)風(fēng)倒槽北端東側(cè)出現(xiàn)較強(qiáng)的暖平流區(qū)，中心位于皖蘇中部，中心數(shù)值在28×10-5·K·s-1以上。魯南和蘇北地區(qū)假相當(dāng)位溫梯度加大(見(jiàn)圖6(b))，鋒生函數(shù)清楚顯示，東南風(fēng)急流前暖鋒鋒生現(xiàn)象顯著，華北冷鋒位于內(nèi)蒙和山西交界處(見(jiàn)圖6(d))。27日20時(shí)至28日20時(shí)，華北冷空氣前沿形成副冷鋒從主冷鋒中分裂南下，進(jìn)入臺(tái)風(fēng)倒槽西北側(cè)，副冷鋒與新生暖鋒相結(jié)合，逐步形成焊接類(lèi)溫帶氣旋。過(guò)鋒生函數(shù)中心的垂直剖面也能反映出新生鋒面的發(fā)展過(guò)程。27日08時(shí)假相當(dāng)位溫、垂直速度和鋒生函數(shù)沿117°E剖圖(見(jiàn)圖8(c))顯示，35°N～37°N之間的對(duì)流層低層也存在明顯的鋒生過(guò)程，同時(shí)也伴隨著強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。27日14時(shí)，新生鋒面隨高度發(fā)生傾斜(見(jiàn)圖8(d))。分析顯示是低層臺(tái)風(fēng)倒槽東側(cè)東南急流向倒槽頂端源源不斷輸送暖濕空氣使得鋒生加強(qiáng)，暴雨區(qū)空氣上升，低層減壓誘發(fā)中尺度低壓系統(tǒng)，產(chǎn)生氣旋式輻合上升運(yùn)動(dòng)，后有西風(fēng)槽攜帶冷空氣南下的副冷鋒進(jìn)入倒槽加劇對(duì)流發(fā)展，冷暖鋒結(jié)合，中尺度低壓向溫帶氣旋轉(zhuǎn)變。

可見(jiàn)，兩次暴雨的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中均表現(xiàn)出顯著的中低緯系統(tǒng)相互作用的特點(diǎn)。但引發(fā)兩次臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的溫帶氣旋的形成和發(fā)展存在著明顯的差別。引發(fā)0312臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的溫帶氣旋源于對(duì)流層中低層暖式切變線上的一個(gè)小擾動(dòng)，而引發(fā)0418臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的溫帶氣旋則是原臺(tái)風(fēng)倒槽頂端的新生暖鋒與北方南下的冷鋒相遇，繼而結(jié)合形成的。也即兩次遠(yuǎn)距離暴雨中，中低緯系統(tǒng)相互作用的形式存在顯著不同。

4 中低緯系統(tǒng)的相互作用

從以上分析可見(jiàn)，發(fā)生在山東的兩次臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨過(guò)程存在著明顯的中低緯系統(tǒng)相互作用的特征。

0312臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨是發(fā)生在切變線和在華南沿海登陸西行臺(tái)風(fēng)相互作用的背景下,熱帶低壓東側(cè)低空西南急流通過(guò)向切變線南側(cè)源源不斷輸送暖濕空氣，使得該地區(qū)增溫增濕。一方面有利于暴雨區(qū)水汽的累積;另一方面使得大氣層結(jié)趨于不穩(wěn)定、促使低層鋒生。切變線附近輻合上升運(yùn)動(dòng)，為暴雨天氣的發(fā)生提供了天氣尺度的動(dòng)力條件。低層鋒生作用則加劇了暴雨區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)，使得不穩(wěn)定能量得以釋放，進(jìn)而增強(qiáng)和維持上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展和降水的持續(xù)。

臺(tái)風(fēng)倒槽東側(cè)的東南急流和倒槽頂端新生的渦旋中心在0418臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨發(fā)生前期起了至關(guān)重要的作用。正是倒槽東側(cè)東南急流源源不斷將東南海區(qū)暖濕空氣輸送到倒槽頂端：一方面使得倒槽頂端東側(cè)增溫增濕，大氣柱膨脹，使得低層減壓，暖區(qū)有鋒生現(xiàn)象，導(dǎo)致暴雨區(qū)輻合增強(qiáng)；另一方面東南急流左前方的氣旋性切變加強(qiáng)了臺(tái)風(fēng)倒槽頂端的氣旋性輻合，導(dǎo)致渦旋增強(qiáng)，最終脫離臺(tái)風(fēng)倒槽，形成獨(dú)立的氣旋式渦旋并進(jìn)入西風(fēng)帶，與華北冷鋒相互作用，發(fā)展成溫帶氣旋，引發(fā)暴雨天氣的發(fā)生。

圖8 鋒生函數(shù)(陰影區(qū)≥2，單位:10-10·K·m-1·s-1)、垂直速度(虛線，單位：hPa-1·s-1)和假相當(dāng)位溫等值線(實(shí)線，單位:K)

5 結(jié)論與討論

綜合以上分析可見(jiàn)，0312臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨和0418臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨過(guò)程是發(fā)生在不同的大氣環(huán)流背景下的臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨，兩者既有相同點(diǎn)，又存在著顯著的不同。

(1)兩次暴雨發(fā)生時(shí)華南均有臺(tái)風(fēng)登陸西行，西風(fēng)帶有低槽東移，臺(tái)風(fēng)東側(cè)有低層偏南風(fēng)急流，在急流的前端暖區(qū)均伴有暖鋒鋒生現(xiàn)象；兩次暴雨的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中，中低緯系統(tǒng)相互作用特征顯著，均是中低緯系統(tǒng)相互作用的產(chǎn)物，具有降水強(qiáng)度大，影響范圍廣的特點(diǎn)。

(2)臺(tái)風(fēng)東側(cè)低空偏南急流是中低緯度系統(tǒng)相互作用的紐帶和橋梁。它一方面將低層的暖濕空氣向暴雨區(qū)輸送和匯合, 為暴雨天氣的發(fā)生提供充沛的水汽并使大氣層結(jié)趨于不穩(wěn)定；另一方面急流左前方的氣旋性切變使得暴雨區(qū)的氣旋性渦度加強(qiáng)，最終導(dǎo)致暴雨區(qū)的輻合上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。

(3)臺(tái)風(fēng)在兩次暴雨過(guò)程中扮演的角色不同。0312臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的發(fā)生發(fā)展原始動(dòng)力條件(氣旋性渦度)是中緯度切變線提供的，而臺(tái)風(fēng)東側(cè)低空西南急流的北涌加強(qiáng)了正渦度和輻合，增強(qiáng)了動(dòng)力條件。而0418臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的原始動(dòng)力條件是從臺(tái)風(fēng)倒槽頂端脫離出的氣旋性渦旋，臺(tái)風(fēng)本質(zhì)上是溫帶氣旋的“母體”，這一點(diǎn)在以往的研究中少有提及。后期，倒槽東側(cè)低空東南急流北上，則在一定程度上加強(qiáng)了暴雨區(qū)的氣旋性渦度及低層輻合上升運(yùn)動(dòng)。

(4)中低緯系統(tǒng)相互作用的形式不同。0312臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨發(fā)生時(shí)在海平面氣壓場(chǎng)上表現(xiàn)為準(zhǔn)東西向的靜止鋒上先有暖鋒鋒生，而后切變線逆轉(zhuǎn)為西南-東北走向，切變線北側(cè)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)攜帶弱冷空氣南侵，進(jìn)而在靜止鋒上形成氣旋性波動(dòng)。0418臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨發(fā)生前期，在海平面氣壓場(chǎng)上，內(nèi)蒙東部至河套一帶為一明顯的冷鋒，其隨著時(shí)間東移南壓，逐漸靠近并進(jìn)入脫離臺(tái)風(fēng)倒槽的氣旋性環(huán)流內(nèi)與新生暖鋒相焊接形成溫帶氣旋。在此次過(guò)程中冷暖鋒相互作用明顯。臺(tái)風(fēng)作為溫帶氣旋發(fā)展的“母體”，這種情況日常預(yù)報(bào)中少見(jiàn)，是一種另類(lèi)的中低緯系統(tǒng)相互作用的形式。(5)臺(tái)風(fēng)向暴雨區(qū)輸送水汽的最大層分布不同。兩次臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨中，與臺(tái)風(fēng)相連的偏南風(fēng)急流對(duì)暴雨區(qū)的水汽凈流入貢獻(xiàn)最大，但最大水汽輸送層不同，0312臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的最大水汽層在925hPa附近，而0418臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的最大水汽輸送出現(xiàn)在800hPa上下。

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責(zé)任編輯 龐 旻

A Comparative Study on Two Processes of Typhoon Remote Rainfall over Shandong Province

CONG Chun-Hua1, LEI Xiao-Tu2, CHEN Pei-Yan2

(1.Shandong Meteorological Observatory, Jinan 250031,China; 2.Shanghai Typhoon Institute, Shanghai 200030,China)

In this paper, a comparative study on two processes of Typhoon Remote Rainfall(TRR) is carried out based on in-situ,sounding data, and NCEP reanalysis data. The two rain processes were occurred during August 25—27, 2003 (named rainstorm-2003) and August 26—28, 2004 (named rainstorm-2004) over Shandong Province, It is shown that the southerly Low Level Jets (LLJ) on the east of typhoons play an important role in formation of rainstorms. The LLJs converge and transport great amount of low level water vapor to rainstorm area, which provide plenty of water vapor and strong instability condition, leading significant warm-front frontogenesis. Moreover, the cyclonic shears, which was on the front-left of the jet, intensified the cyclonic vorticity, give rise to stronger convergence and ascending motion in rainstorm area. The interactions between mid and low-latitude systems were strong in both cases. However, there are distinct differences in mechanisms of the two processes: (1) the rainstorm-2003 is the consequence of interaction among typhoon, Northwest China vortex, and its warm shear-line on the east. While rainstorm-2004 is generated by the interaction between typhoon and cold front; (2) Typhoons also play different roles in the two cases of TRR. In rainstorm-2003, the vortex over Northwestern China and its warm shear-line on the east provided initial dynamic background, i.e. favorable cyclonic vorticity fields. and the northward invading LLJ on the left of typhoon further strengthens the vorticity, convergence, and ascending motion. However, in case of rainstorm-2004, the cyclonic vorticity fields, which generated initially at the top of the typhoon inverted trough and entered westerly belt later, provide favorable dynamic background to the rainstorm. The northward invading LLJ which is on the east side of the inverted trough, intensifies the cyclonic vorticity, low level convergence, and ascending motion in the rainstorm area to some extent.

typhoon； remote rainfall； water vapor transport； vorticity

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2013DQ009)；中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)員專(zhuān)項(xiàng)(MAYBY2012-031)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB30300)；公益性行業(yè)(氣象)科研專(zhuān)項(xiàng)(GYHY201406010)；中國(guó)氣象局關(guān)鍵技術(shù)與集成項(xiàng)目(CMAGJ2014M30)資助 Supported by the Shandong Provincial Natural Science Foundation,China(ZR2013DQ009);China Meteorological Bureau Special Forecaster Foundation(MAYBY2012-031);National Key Basic Research Development Program of China(2013CB430300);Public Welfare Industry (Meteorological) Research Projects,China(GYHY201406010);China Meteorological Bureau Key Technology and Integration Project(CMAGJ2014M30)

2016-02-17；

2016-04-02 作者簡(jiǎn)介：叢春華(1975-)，女，高級(jí)工程師，主要從事熱帶氣旋方面的研究。E-mail：cch513@sina.com

P444

A

1672-5174(2016)12-021-11

10.16441/j.cnki.hdxb.20160034

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CONG Chun-Hua, LEI Xiao-Tu, CHEN Pei-Yan. A comparative study on two processes of typhoon remote rainfall over Shandong Province[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(12)： 21-31.